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最近,一个没有散热塔,没有高耸烟囱,核反应堆堆芯只有高压锅大小的微堆(全称微型中子源反应堆),成为热门话题。

据澎湃新闻4月10日报道,3月底,在圆满完成低浓化改造后,微堆首次实现满功率运行。于是,世界目光聚焦微堆诞生地——位于北京西郊的中国原子能科学研究院(以下简称原子能院)。

这一重要进展被写入《中美核安全合作联合声明》。

中国成功完全掌握全球唯一微型中子源反应堆技术

中国首座微型中子源反应堆低浓化改造圆满完成后首次实现满功率运行

国防科工局局长、国家原子能机构主任许达哲评价,微堆低浓化改造,是降低高浓铀流失风险、提升核安保水平的有力举措。

但其实微堆离我们的生活并不远。

“从1984年至今,我们利用微堆分析的样品多种多样,上至天文、下至地理,涉及地质学、地球化学、生命科学等众多学科。”原子能院微堆室主任李义国说,分析结果为不少研究提供了科学依据。

揭开百年谜案,把脉苍生健康

原子能院的原型微堆的每一根燃料元件的直径仅有5毫米,换言之只有约5张纸的厚度,每两根元件间隙只有5.48毫米,这些燃料元件被放置在实验用的“鸟笼架”内。“鸟笼架”是直径240毫米、高270毫米的狭小空间,也就是该堆的堆芯。

在业内,微堆也被称“傻瓜堆”,因为它类似一个实验仪器,操作简单,但用途不少,能进行中子活化分析、核仪器探头的考验、教学及培训、少量同位素生产等。

2008年,“长相”精致的微堆展示大“威力”,它与央视、清西陵及北京市法医检验鉴定中心等共同揭开了困扰史学界的百年谜案——清光绪帝之死因。

该专题研究由光绪帝遗物发辫入手,历时五年,利用微堆中子活化分析技术测试了发辫中砷的含量,并结合其他技术手段,经科学研究分析测算表明光绪的头发截段和衣物上含有剧毒砒霜,而其腐败尸体仅沾染在部分衣物和头发上的砒霜总量就已高达约201毫克。

光绪死因的确证,被认为是运用现代科学技术和侦察思维解决历史疑难问题的成功尝试,开辟了学术文化研究的新路径。

因为具有小型化、易操作、功率低、固有安全性好等优点,在大中城市人口稠密的大学和研究机构内,不乏微堆身影。

在改革开放前沿深圳,原子能院帮助深圳大学设计建造的微堆已安全运行28年,这也是目前我国尚在运行的唯一商用微堆。与原子能院的原型微堆相比,二者的差别是堆芯尺寸、燃料元件尺寸。

深圳微堆建成后,利用中子活化法填补了深圳微量元素质检方面的某些空白。

当时,随着珠三角现代工农业的迅猛发展,大量人工合成有机化合物被引入到自然环境中,包括一系列有机卤素污染物,这些卤素污染物有致癌、致畸、致突变的风险。借助微堆,深圳较早就对本市的大气和土壤环境进行检测,实时掌握深圳大气和土壤中的污染程度,并及时采取措施。

因为不会对样品产生破坏,原子能院曾协助有关单位,对膳食中的元素含量进行过多次调查研究及卫生学评价。

多年前,原子能院高级工程师王珂就和团队分析测定了我国南北方78例正常成年人甲状腺含量,发现有地区差异,女性略高于男性,这为评价碘对人体的健康影响提供了背景材料。

“微堆低浓化后应用更为广泛,比如可应用到与百姓关系更加密切的治疗癌症的医疗装置中。”中国工程院院士周永茂如此预测微堆前景。

自主研发,自主改造

“我国目前是世界上唯一完全掌握微堆研究建造技术的国家。”李义国告诉记者,我国的微堆研究建造可追溯到上世纪70年代末、80年代初。经过多种物理设计方案的理论计算和零功率实验验证,1984年3月,原子能院自主开发设计建造的我国第一座微堆顺利建成并投入满功率运行。

1985年,原子能院开始进行商用微堆的定型设计,主要供大学、科研单位等进行教学、活化分析、培训等。

“过去,我们微堆使用武器级的高浓铀作为燃料。燃料棒一旦流失,就可能造成核材料扩散的威胁。”李义国解释,由于所用燃料的特殊性,微堆在推广中一直受到限制。

中国成功完全掌握全球唯一微型中子源反应堆技术

评审会现场

受国际大环境等多因素影响,国际原子能机构(IAEA)多次提出,希望微堆燃料实施低浓铀转化。

微堆低浓化转化即以低浓铀燃料替代原有的高浓铀燃料,转化后还需利用原有筒体装料运行。

“最难的是堆芯设计。”李义国说,“由于低浓铀堆芯的燃料芯体和包壳材料与之前的不同,其热工、物理性能等也均有较大不同,须重新进行物理、热工和结构设计,且只能在原有小尺寸的堆芯空间内做出合理调整,设计难度大大增加。”

经过5年攻关,原子能院成功地将微堆中的核燃料富集度从90%降至12.5%,并实现满功率运行。

中核集团董事长孙勤认为,首座微堆低浓化后首次满功率运行意味着原子能院已完全掌握了微堆低浓化的全套技术。

欧洲中子源青黄不接 十年内或陆续关闭

中国成功完全掌握全球唯一微型中子源反应堆技术

法国劳厄—郎之万研究所内的中子源图片来源:Peter Ginter/RGB Ventures/ SuperStock/Alamy

未来5~10年,欧洲科学家面临着研究用中子束的急剧减少,尽管全球最强大的中子源有望在这个十年的末期于瑞典启动。一个受委托对欧洲很多即将关闭的老化中子反应堆进行评估并就如何避免乃至减少中子束短缺提出建议的专家组如是说。

这个名为“中子景观组”(NLG)的专家组在一份最近更新的路线图中公布了上述发现,该路线图则由向欧盟理事会报告的“科研基础设施欧洲战略论坛”发布。首次于2006年发布的路线图会提供所推荐的泛欧洲科研设施的滚动列表,而这些设施被视为拥有卓越的科学意义并且已获得来自一个或更多欧盟成员国的财政支持。

2016年路线图突出了21个项目,其中有5个是自2010年版本发布以来新增的项目:研究大气、河海系统和食品安全的设施,以及新建一台太阳望远镜和一个新文化遗产中心。第6个项目是一台在地中海底部建造、被称为KM3NeT的中微子望远镜。该项目作为一个单独的天文台最初被包括进来是在2006年,今年则是再次进入路线图。

此次中子评审是一项更加广泛的“景观分析”的一部分,而开展“景观分析”是为了制定试图确认欧洲科研基础设施中是否存在巨大差距或重叠的路线图。由瑞典乌普萨拉大学物理学家Colin Carlile和意大利佩鲁贾大学学者Caterina Petrillo担任主席的NLG指出,欧洲有6000余名科学家和工程师利用中子研究材料的结构和行为。这些材料从磁体、超导体到塑料和蛋白不一而足。然而,NLG表示,欧洲正在运行的中子源中有三分之二建于上世纪六七十年代,而且大多数计划在未来十年内关闭。

建在瑞典隆德并将利用质子加速器产生全球最强大中子束的欧洲散裂中子源(ESS),计划于2019年开始运行。不过,NLG解释说,有限的启动资源意味着该设施最多只能拥有16台仪器,并且仅能运行到2028年。这将使研究人员面临比现在更加糟糕的状况。目前,他们拥有的40台仪器组成了位于法国格勒诺布尔市且正在运行的劳厄—郎之万研究所(ILL)。

不过,运行ILL的3个国家——法国、德国和英国签署的公约将在2023年到期。专家组表示,如果ILL到时候关闭,再加上未来几年内欧洲其他稍微逊色一些的中子源也将陆续关闭,接下来的15年里研究可用的中子将会缩减40%~50%。

Carlile介绍说,这种缩减不仅对目前的科学研究是毁灭性的,还会使年轻研究人员在进行基于中子的测量方面更难获得经验。“利用这些设施的人们没有到达那里的垫脚石。”Carlile说,“这和在高校中便能获得X射线源的用户完全不同。”

上述专家组表示,如果ILL和其他面临关闭风险的中子源至少运行到2030年,未来15年内的中子输出或被保持在现有水平的20%以内。据Carlile估测,这些延期将花费约2亿欧元。虽然这并不是个小数目,但要比建造诸如ESS等大型新设施所需的资金少很多。不过,Carlile认为,ILL的所有者是否想延长反应堆的寿命尚待分晓,因为届时反应堆将拥有50多年的历史,并且是在一座空间极其有限的城市中。“ILL的关闭将对中子研究领域带来重创,但所有者或用户都不想公开讨论这个问题。”

Carlile还担心,到2025年,ESS将无法达到5兆瓦(MW)的总功率。“我很有信心这个项目会按时交付,只要它在政治上获得适当的支持。”他说,“不过,我担心的一件事情是,为了省下加速组件方面的费用,他们会在ESS功率达到2MW时将其叫停。”

目前,NLG正在对一份更长的报告进行最后的收尾工作。这份报告也将分析2030年以后的中子供应情况,并提出了从长远来看保证中子供应的选择。Carlile表示,其中包括形成一个联盟组织——和天文学家的欧洲南方天文台类似,以协调整个欧洲基于中子的研究,以及建设若干中等通量、每个可能花费约5亿欧元的其他中子源。

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